JP7067413B2 - 雰囲気炉の耐火物の点検方法及び還元鉄の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、雰囲気炉の耐火物の点検方法及び還元鉄の製造方法に関する。

鉄の製造工程では、副産物として酸化鉄を主成分とする製鉄ダスト（以下「ダスト」という。）が発生する。ダストは回収装置で回収され、還元鉄の材料として利用される。

酸化鉄の還元には、加熱室と、加熱室の周りに配置された耐火物と、耐火物の外側に配置された鉄皮とを備える雰囲気炉が用いられる。耐火物は炉の稼働によって損傷するため、耐火物を定期的に点検する必要がある。一方、耐火物は炉外から観察することができないため、耐火物の厚さを測定するためには炉の稼働を中断する必要がある。

取鍋や溶銑鍋における耐火物の点検方法として、鉄皮の温度から耐火物の損傷度合いを推測する方法が提案されている。

特開２００９－１９２４９号公報には、溶鋼を収容した取鍋の鉄皮の温度を赤外線放射温度計で測定し、測定した温度又は測定した温度上昇速度が予め設定したそれぞれの閾値以上である場合に、警報を発報するとともに取鍋内の溶鋼上に存在するスラグに耐火物溶出抑制剤を添加する、取鍋の漏鋼防止方法が開示されている。

特開２０１３－２４４５１５号公報には、取鍋の鉄皮の表面温度を赤外線放射温度計で測定し、測定した表面温度のなかの最高温度が、前回溶鋼を連続鋳造機に供給完了した後から今回の溶鋼を受鋼するまでの時間と鉄皮温度との関係等から求められる温度閾値を超えた場合に、当該取鍋の内張り耐火物の点検及び補修を行う、取鍋の漏鋼防止方法が開示されている。

特開２００８－１２７６１９号公報には、耐火物の補修すべき残厚を予め設定しておき、溶銑鍋の連続使用時間が１０時間以上になった後に溶銑鍋の鉄皮温度を測定し、鉄皮温度が３００℃以下であって、補修をすべき残厚と所定の関係にあるときに耐火物の点検を実施する、溶銑鍋の耐火物補修要否の判断方法が開示されている。

特開２０００－１７１１７３号公報には、金属製錬炉内で発生したガスをダスト回収装置へ導くダクトの内部空間、該ダクト内壁面温度、及び外気温度をそれぞれ測定する温度計と、各種の熱伝達係数及び熱伝導係数と温度測定値とに基づいて、ダクト内壁に付着したダストの厚みを演算する演算器とを備える付着ダスト厚み検出装置が開示されている。

特開２００９－１９２４９号公報 特開２０１３－２４４５１５号公報 特開２００８－１２７６１９号公報 特開２０００－１７１１７３号公報

特開２００９－１９２４９号公報、特開２０１３－２４４５１５号公報、及び特開２００８－１２７６１９号公報に記載されているように、鉄皮の温度から耐火物の損傷度合いを推測することが考えられる。しかし本発明者らの調査によれば、雰囲気炉では、耐火物の残存厚さと鉄皮の温度との間に有意な相関が見られなかった。また、特開２０００－１７１１７３号公報に記載されているダクト内の付着ダスト厚み検出装置を用いても、耐火物の残存厚さと鉄皮の温度との間に有意な相関が見られなかった。

本発明の目的は、雰囲気炉の耐火物の状態を適切に点検する方法を提供することである。本発明の他の目的は、雰囲気炉の耐火物の状態を適切に点検することで、雰囲気炉の稼働効率を向上させ、還元鉄の製造効率を高めることである。

本発明の一実施形態による雰囲気炉の耐火物の点検方法は、加熱室と、前記加熱室の周りに配置された耐火物と、前記耐火物の外側に配置された鉄皮とを備える雰囲気炉の耐火物の点検方法であって、前記雰囲気炉の稼働中の前記鉄皮の温度を測定する工程と、前記温度を測定した場所の前記耐火物の残存厚さ及び前記耐火物に形成された浸潤層の厚さを測定する工程と、前記耐火物の残存厚さ及び前記浸潤層の厚さに基づいて、前記耐火物の損傷率を求める工程と、前記損傷率と前記鉄皮の温度との対応関係を求める工程と、前記対応関係から、所定の基準損傷率に対応する基準温度を決定する工程と、前記鉄皮の温度が前記基準温度未満であるかを点検する工程とを備える。

本発明の一実施形態による還元鉄の製造方法は、加熱室と、前記加熱室の周りに配置された耐火物と、前記耐火物の外側に配置された鉄皮とを備える雰囲気炉を用いて還元鉄を製造する方法であって、前記雰囲気炉の稼働中の前記鉄皮の温度を測定する工程と、前記耐火物の残存厚さ及び前記耐火物に形成された浸潤層の厚さを測定する工程と、前記耐火物の残存厚さ及び前記浸潤層の厚さに基づいて、前記耐火物の損傷率を求める工程と、前記損傷率と前記鉄皮の温度との対応関係を求める工程と、前記対応関係から、所定の基準損傷率に対応する基準温度を決定する工程と、前記鉄皮の温度が前記基準温度未満であるかを点検する工程と、前記加熱室で酸化鉄を還元する工程とを備える。

本発明によれば、雰囲気炉の耐火物の状態を適切に点検することができる。また、これによって還元鉄を高効率に製造することができる。

図１は、本発明の一実施形態による雰囲気炉の耐火物の点検方法を示すフロー図である。 図２は、雰囲気炉の一例である回転炉床炉の模式図である。 図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４は、鉄皮温度測定工程及び耐火物厚さ測定工程を説明するための図である。 図５は、浸潤層を考慮せず、損傷率を（耐火物の初期の厚さ－耐火物の残存厚さ）／（耐火物の初期の厚さ）としたときの、耐火物の損傷率と鉄皮温度との関係を示す散布図である。 図６は、図５の散布図を、浸潤層が形成されている耐火物と浸潤層が形成されてない耐火物とでマークを変えてプロットしたものである。 図７は、浸潤層の厚さを考慮して損傷率を求めたときの、耐火物の損傷率と鉄皮温度との関係を示す散布図である。

本発明者らは、雰囲気炉の耐火物の状態を詳しく調査し、次の知見を得た。雰囲気炉の耐火物には、表面にダストが付着している領域と、ダストが付着していない領域とがある。ダストが付着している領域では、ダストが浸潤することで変質した層（以下「浸潤層」という。）が形成されている場合がある。浸潤層は、浸潤層が形成されていない耐火物と比較して、断熱性能が低い（熱伝導率が高い）。そのため、耐火物の損傷度合いを評価するためには、耐火物の残存厚さだけではなく、浸潤層の厚さを考慮する必要がある。

本発明は、以上の知見に基づいて完成された。以下、本発明の一実施形態による雰囲気炉の耐火物の点検方法を説明する。

図１は、本発明の一実施形態による雰囲気炉の耐火物の点検方法を示すフロー図である。この方法は、点検の基準となる基準温度を予め決定しておく工程（ステップＳ１）と、鉄皮の温度が基準温度未満であるかを点検する工程（ステップＳ２）とを備えている。

本実施形態で点検の対象とする雰囲気炉は、加熱室と、加熱室の周りに配置された耐火物と、耐火物の外側に配置された鉄皮とを備えている。雰囲気炉とは、耐火物が溶銑や溶鋼等と直接接触する炉（具体的には、高炉や転炉、溶銑炉、溶鋼炉）以外の炉を意味する。雰囲気炉の「雰囲気」の語は必ずしも置換雰囲気を意味せず、大気雰囲気で使用される炉も本実施形態の「雰囲気炉」に含まれる。

雰囲気炉は例えば、加熱炉や焼鈍炉等である。また、耐火物で囲われた高温の空間（加熱室）が存在し、かつ、耐火物が溶銑や溶鋼と直接接触しないという意味で、転炉と接続される吸気配管も、本実施形態の「雰囲気炉」に含まれる。

図２は、雰囲気炉の一例である回転炉床炉１の模式図である。回転炉床炉１は、水平面内で回転する環状の炉床１１と、炉床１１を覆う炉体１２とを備えている。

図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。炉体１２は、加熱室１２１の周りに配置された耐火物１２２と、耐火物１２２の外側に配置された鉄皮１２３とを備えている。耐火物１２２は例えば、耐火レンガや流込み材、吹付け材、セラミックファイバー等である。

炉体１２は、周方向に複数の領域に画定され、加熱室１２１は領域ごとに異なる温度に保持される。酸化鉄Ｍ（図２）は、炉床１１の上に投入される。酸化鉄Ｍは、炉床１１が回転することにより、炉体１２の複数の領域を通過し、各領域の加熱室１２１で加熱されて還元される。これによって、酸化鉄Ｍが段階的に還元されて還元鉄が製造される。

［基準温度決定工程（ステップＳ１）］
再び図１を参照して、本実施形態による雰囲気炉の耐火物の点検方法の説明を続ける。点検の基準となる基準温度を予め決定しておく工程（ステップＳ１）は、より具体的には、鉄皮温度測定工程（ステップＳ１－１）、耐火物厚さ測定工程（ステップＳ１－２）、損傷率計算工程（ステップＳ１－３）、対応関係取得工程（ステップＳ１－４）、及び基準温度決定工程（ステップＳ１－５）を含んでいる。以下、各工程を詳述する。

図４は、鉄皮温度測定工程（ステップＳ１－１）及び耐火物厚さ測定工程（ステップＳ１－２）を説明するための図である。図４に示すように、耐火物１２２は、雰囲気炉の稼働によって損傷するが、損傷の速度は場所によって異なる。また、耐火物１２２の表面にはダストＤが付着している場合があり、ダストＤが浸潤することで、耐火物１２２に浸潤層１２２ｂが形成される。図４では、耐火物１２２の表面全体にダストＤが付着している場合を図示しているが、場所によっては耐火物１２２にダストＤが付着していない場合もあり、浸潤層１２２ｂが形成されていない場合もある。

［鉄皮温度測定工程（ステップＳ１－１）］
まず、雰囲気炉の稼働中の鉄皮の温度を測定する。具体的には、場所ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_ｎにおいて鉄皮１２３の温度Ｔ（ｘ_１）、Ｔ（ｘ_２）、…、Ｔ（ｘ_ｎ）を測定し、測定した場所と温度とを記録する。鉄皮１２３の温度は例えば、赤外線放射温度計によって測定することができる。鉄皮１２３の温度は、熱電対や抵抗式温度計等で測定してもよい。

［耐火物厚さ測定工程（ステップＳ１－２）］
次に、温度を測定した場所の耐火物の残存厚さ及び浸潤層の厚さを測定する。厚さの測定は例えば、雰囲気炉の稼働中断時（例えば定期点検時）に実施することができる。鉄皮温度測定工程（ステップＳ１－１）と厚さ測定工程（ステップＳ１－２）との間隔は、できるだけ短くすることが好ましい。

具体的には、温度を測定した場所ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_ｎの耐火物１２２の残存厚さＢ（ｘ_１）、Ｂ（ｘ_２）、…、Ｂ（ｘ_ｎ）、及び浸潤層１２２ｂの厚さＢ_２（ｘ_１）、Ｂ_２（ｘ_２）、…、Ｂ_２（ｘ_ｎ）を測定して記録する。厚さの測定は例えば、耐火物１２２を炉体から取り外して、側面からメジャー等を当てて実施することができる。浸潤層が形成されていない領域１２２ａと浸潤層１２２ｂとは、外観で判別することができる。

このとき、できるだけ多くのデータを集めることが好ましい（すなわち、ｎを大きくすることが好ましい。）。また、十分な数のデータが集まるまで、温度測定工程（ステップＳ１－１）と耐火物厚さ測定工程（ステップＳ１－２）とを繰り返し実施してもよい。

［損傷率計算工程（ステップＳ１－３）］
耐火物の残存厚さ及び浸潤層の厚さに基づいて耐火物の損傷率を求める。浸潤層１２２ｂと浸潤層以外の領域１２２ａとでは熱的性質が異なるため、耐火物１２２の損傷度合いを評価するためには、耐火物１２２の残存厚さだけではなく、浸潤層１２２ｂの厚さを考慮する必要があるためである。

具体的には、場所ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_ｎごとに耐火物１２２の残存厚さＢ（ｘ_１）、Ｂ（ｘ_２）、…、Ｂ（ｘ_ｎ）、及び浸潤層１２２ｂの厚さＢ_２（ｘ_１）、Ｂ_２（ｘ_２）、…、Ｂ_２（ｘ_ｎ）に基づいて耐火物の損傷率Ｅ（ｘ_１）、Ｅ（ｘ_２）、…、Ｅ（ｘ_ｎ）を求める。

損傷率Ｅ（ｘ_ｋ）（ｋ＝１、２、…、ｎ）は例えば、下記の式から求めることができる。損傷率Ｅ（ｘ_ｋ）は、この式以外の式から求めてもよい。
Ｅ（ｘ_ｋ）＝（Ａ－（Ｂ（ｘ_ｋ）－κＢ_２（ｘ_ｋ）））／Ａ
ただし
κ＝１－λ_１／λ_２
ここで、Ａは耐火物１２２の初期の厚さ、Ｂ（ｘ_ｋ）は耐火物１２２の残存厚さ、Ｂ_２（ｘ_ｋ）は浸潤層１２２ｂの厚さ、λ_１は耐火物１２２の熱伝導率、λ_２は浸潤層１２２ｂの熱伝導率である。

［対応関係取得工程（ステップＳ１－４）］
損傷率と鉄皮の温度との対応関係を求める。具体的には、ステップＳ１－３で求めた損傷率Ｅ（ｘ_ｋ）（ｋ＝１、２、…、ｎ）と、ステップＳ１－１で測定した鉄皮温度Ｔ（ｘ_ｋ）（ｋ＝１、２、…、ｎ）との組から回帰分析を行って対応関係Ｔ（Ｅ）を取得する。

対応関係Ｔ（Ｅ）は、これに限定されないが、例えば損傷率Ｅの一次関数とすることができる。この場合、対応関係取得工程（ステップＳ１－４）では、下記の式の定数ｄ及びｅを求める。
Ｔ（Ｅ）＝Ｅ×ｄ＋ｅ

［基準温度決定工程（ステップＳ１－５）］
最後に、ステップＳ１－４で求めた対応関係から、所定の基準損傷率に対応する基準温度を決定する。具体的には、ステップＳ１－４で耐火物の損傷率と鉄皮温度との対応関係Ｔ（Ｅ）が得られたので、この対応関係Ｔ（Ｅ）から基準損傷率Ｅ_ｃのときの鉄皮の温度Ｔ（Ｅ_ｃ）を算出し、基準温度Ｔ_ｃとする。基準損傷率Ｅ_ｃは、耐火物の補修が必要となる基準の損傷率である。基準損傷率Ｅ_ｃは、雰囲気炉の加熱室の温度や耐火物の種類に依存するが、例えば７０％とすることができる。

対応関係Ｔ（Ｅ）が上述した損傷率Ｅの一次関数である場合、基準温度Ｔ_ｃは、下記の式から求めることができる。
Ｔ_ｃ＝Ｅ_ｃ×ｄ＋ｅ

［点検工程（ステップＳ２）］
鉄皮の温度を定期的に測定し、鉄皮の温度が基準温度Ｔ_ｃ未満であるかを点検する。

具体的な運用としては、これに限定されないが、鉄皮の温度が基準温度Ｔ_ｃ以上になったとき、次回雰囲気炉の稼働を中断するときに耐火物を補修するようにしてもよい。あるいは、鉄皮の温度が基準温度Ｔ_ｃ以上になった時点で炉外から耐火物を充填したり、鉄皮を水冷したりする等の応急処置をするようにしてもよい。

［本実施形態の効果］
以上、本発明の一実施形態による雰囲気炉の耐火物の点検方法を説明した。本実施形態では、耐火物に形成された浸潤層を考慮して耐火物の損傷率Ｅを求め、この損傷率Ｅと鉄皮の温度Ｔとの対応関係Ｔ（Ｅ）から、基準損傷率Ｅ_ｃに対応する基準温度Ｔ_ｃを求める。本実施形態によれば、浸潤層を考慮することで、損傷率Ｅと鉄皮の温度Ｔとの対応関係Ｔ（Ｅ）をより正確に求めることができ、適正な基準温度Ｔ_ｃを決定することができる。また、一度基準温度Ｔ_ｃを決定すれば、次回以降は鉄皮温度を測定して基準温度と比較するだけで点検をすることができる。これによって、雰囲気炉の耐火物の状態を適切かつ高効率に点検することができる。また、これによって還元鉄を高効率に製造することができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明は、この実施例に限定されない。

回転炉床炉（加熱室温度約１４００℃）のスカート部分（炉体外壁のうち、炉床の周りの部分）について、鉄皮の温度、耐火物の残存厚さ、及び浸潤層の厚さを炉の定期修理前後に測定した。１回の修理につき各１０箇所測定し、１１回の修理で合計１１０箇所のデータを取得した。

図５は、浸潤層を考慮せず、損傷率を（耐火物の初期の厚さ－耐火物の残存厚さ）／（耐火物の初期の厚さ）としたときの、耐火物の損傷率と鉄皮温度との関係を示す散布図である。図５に示すように、浸潤層を考慮しない場合、耐火物の損傷率と鉄皮温度との間には有意な相関関係は見られず、基準温度を決定することは困難であった。

図６は、図５の散布図を、浸潤層が形成されている耐火物と浸潤層が形成されてない耐火物とでマークを変えてプロットしたものである。図７は、さらに浸潤層の厚さを考慮して損傷率を求めたときの、耐火物の損傷率と鉄皮温度との関係を示す散布図である。具体的には、実施形態で説明したとおり、Ｅ（ｘ_ｋ）＝（Ａ－（Ｂ（ｘ_ｋ）－κＢ_２（ｘ_ｋ）））／Ａとした。浸潤層の熱伝導率は耐火物の熱伝導率の２．５倍（κ＝０．６）として計算した。図７に示すように、浸潤層の厚さを考慮することで、耐火物の損傷率と鉄皮温度との間に相関関係を見出すことができ、鉄皮温度によって損傷率を管理することが可能になった。

具体的には、損傷率Ｅと鉄皮の温度Ｔとの対応関係は、図７から、Ｔ＝Ｅ×３．３２＋５４．３３と求められた。基準損傷率Ｅ_ｃを例えば７０％とした場合、基準温度Ｔ_ｃは２８６．７３℃となる。

以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１ 回転炉床炉
１１ 炉床
１２ 炉体
１２１ 加熱室
１２２ 耐火物
１２３ 鉄皮

Claims (6)

1. 加熱室と、前記加熱室の周りに配置された耐火物と、前記耐火物の外側に配置された鉄皮とを備える雰囲気炉の耐火物の点検方法であって、
   前記雰囲気炉の稼働中の前記鉄皮の温度を測定する工程と、
   前記温度を測定した場所の前記耐火物の残存厚さ及び前記耐火物に形成された浸潤層の厚さを測定する工程と、
   前記耐火物の残存厚さ及び前記浸潤層の厚さに基づいて、前記耐火物の損傷率を求める工程と、
   前記損傷率と前記鉄皮の温度との対応関係を求める工程と、
   前記対応関係から、所定の基準損傷率に対応する基準温度を決定する工程と、
   前記鉄皮の温度が前記基準温度未満であるかを点検する工程とを備える、雰囲気炉の耐火物の点検方法。
2. 請求項１に記載の雰囲気炉の耐火物の点検方法であって、
   前記損傷率Ｅを下記の式から求める、雰囲気炉の耐火物の点検方法。
   Ｅ＝（Ａ－（Ｂ－κＢ_２））／Ａ
   ただし
   κ＝１－λ_１／λ_２
   ここで、Ａは前記耐火物の初期の厚さ、Ｂは前記耐火物の残存厚さ、Ｂ_２は前記浸潤層の厚さ、λ_１は前記耐火物の熱伝導率、λ_２は前記浸潤層の熱伝導率である。
3. 請求項１又は２に記載の雰囲気炉の耐火物の点検方法であって、
   前記基準温度Ｔ_ｃを下記の式から求める、雰囲気炉の耐火物の点検方法。
   Ｔ_ｃ＝Ｅ_ｃ×ｄ＋ｅ
   ここで、Ｅ_ｃは前記基準損傷率、ｄ及びｅは前記対応関係を求める工程で決定される定数である。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の雰囲気炉の耐火物の点検方法であって、
   前記鉄皮の温度が前記基準温度以上になったとき、次回前記雰囲気炉の稼働を中断するときに前記耐火物を補修する工程とを更に備える、雰囲気炉の耐火物の点検方法。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の雰囲気炉の耐火物の点検方法であって、
   前記雰囲気炉は、酸化鉄の還元に用いる炉である、雰囲気炉の耐火物の点検方法。
6. 加熱室と、前記加熱室の周りに配置された耐火物と、前記耐火物の外側に配置された鉄皮とを備える雰囲気炉を用いて還元鉄を製造する方法であって、
   前記雰囲気炉の稼働中の前記鉄皮の温度を測定する工程と、
   前記耐火物の残存厚さ及び前記耐火物に形成された浸潤層の厚さを測定する工程と、
   前記耐火物の残存厚さ及び前記浸潤層の厚さに基づいて、前記耐火物の損傷率を求める工程と、
   前記損傷率と前記鉄皮の温度との対応関係を求める工程と、
   前記対応関係から、所定の基準損傷率に対応する基準温度を決定する工程と、
   前記鉄皮の温度が前記基準温度未満であるかを点検する工程と、
   前記加熱室で酸化鉄を還元する工程とを備える、還元鉄の製造方法。

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